一種經濟型稠油熱采專用套管的研發

周 丹,黃 云,黃 英,李方應

(1.攀成伊紅石油鋼管有限責任公司,四川成都610303; 2.攀鋼集團成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

一種經濟型稠油熱采專用套管的研發

周 丹1,黃 云2,黃 英2,李方應2

(1.攀成伊紅石油鋼管有限責任公司,四川成都610303; 2.攀鋼集團成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

對一種經濟型稠油熱采井專用套管進行分析研究,其管柱設計采用應變設計準則,同時兼顧應力設計準則,在保證材料的性能條件下采用成本較低的Cr-Mn系鋼種。通過與目前國內油田廣泛采用的Cr-Mo鋼種進行了常規力學性能、高溫拉伸、熱循環試驗及熱膨脹系數測定等對比試驗以評估產品性能指標,結果顯示基于應變的熱采井設計新方法開發的經濟型稠油熱采井專用套管可滿足油田開發使用需求且更為經濟。

無縫鋼管;稠油熱采;油井管;經濟型;高溫性能

1 引言

目前隨著石油工業發展的深入,開采稠油已成為各大油田穩產、高產的主要措施之一,但由于長期以來,在API系列中沒有稠油熱采井專用套管,國內外也只有小部分廠家開發出稠油熱采井石油套管,大多油田只能選用普通API套管。使用普通API套管后,由于套管的過早損壞導致油井的提前報廢較高,給油田造成較大的經濟損失,因此開發稠油熱采井石油套管成為必然性[1～3]。

國內現行的熱采井套管設計標準大多數是遵循傳統的基于應力的設計準則,即保證外載荷產生的套管應力或等效應力不高于套管材料的最低屈服應力,基于應力設計要求套管抗拉、抗擠和抗內壓滿足強度設計要求選擇鋼級及根據熱載荷產生的熱應力計算套管預應力。事實上稠油熱采井用油套管在其服役環境中(20℃～375℃)會產生塑性應變,完全基于應力準則設計開發的熱采井用套管完全沒有考慮到此點。

以下對攀鋼集團成都鋼釩有限公司開發的一種經濟型稠油熱采井專用套管進行分析研究,其管柱設計采用應變設計準則,同時兼顧應力設計準則,在保證材料的性能條件下采用成本較低的Cr-Mn系鋼種,滿足了油田開發的經濟性要求。冶煉上通過多元素聯合穩定控制技術、夾雜物控制技術、有害元素及氣體含量控制技術,使其能穩定控制鑄坯質量。軋制上對加熱溫度優化,變形量的合理分配,變形工具選擇和工藝潤滑等方面進行了研究,減少軋制缺陷產生,提高了品種成材率。熱處理上采用外噴淋+內軸流工藝,保證鋼管性能穩定、均勻,同時也保證最終管材的外徑尺寸和彎曲度滿足要求。目前,該品種鋼管已在勝利油田得到了大批量成功應用,產品各項指標均滿足標準和技術協議要求。

2 基于應變的熱采井設計新方法

熱采井高溫和蒸汽循環導致套管應力在拉伸和壓縮上超過套管材料的屈服強度,傳統設計原則(規定套管應力小于套管材料的屈服強度)有一定的局限。

國內現行的熱采井套管設計標準大多數是遵循傳統的基于許用應力的設計準則,即保證外載產生的套管應力或等效應力不高于套管材料的最低屈服應力。對于套管應力超過比例極限后的繼續變形,應力和應變關系不成比例,應力的大小已不能反應材料的受力后狀況,因此基于應力的設計準則具有局限性;而應變對于超過材料屈服后仍然能夠反應材料受力后的狀況,基于應變設計準則允許套管產生一定的塑性應變,所以對于材料服役后超過材料屈服強度的設計應采取以應變為基礎的設計。

Alberta對熱采井套管提出基于應變的設計新方法,設計載荷包括內外壓、熱載荷以及地層載荷(地層熱載荷和地層剪切運動)。套管設計載荷分為三類:(1)力載荷:包括懸重、浮力、提升載荷和井眼彎曲載荷。(2)位移載荷:熱載荷和地層載荷。(3)復合載荷:如內外壓作用時,套管柱軸向被水泥和地層約束。根據載荷本身的特性,必須采用不同設計標準。例如,力載荷是基于應力設計方法,確保在套管設計有足夠的安全系數,降低事故發生的概率;位移載荷應該采用基于應變設計方法。

3 化學成分設計

由于熱采井套管設計理念的不同導致熱采井鋼管的成分也有所不同,國內目前稠油熱采井用油套管主要采用Cr-Mo鋼,其高昂的價格加重了各采油廠的生產成本。本文設計的鋼種成分以應變設計為基礎,采用中碳Cr-Mn鋼,適當提高Mn含量,加入Ti微合金化元素,成品管材組織晶粒細小,各項性能檢測指標良好,完全滿足有關技術協議要求,且更為經濟。設計化學成分具體見表1。

表1 經濟型稠油熱采井用套管設計成分(w%)

4 管材制備

首先采用高爐煉鐵后經轉爐冶煉、LF+ RH精煉、連鑄后得到了化學成分均勻,低P、S含量,非金屬夾雜物數量少且形態得到控制的稠油熱采井用套管用鋼坯,隨后通過“環形爐加熱→穿孔機穿孔→連軋機軋管→定徑機定徑→淬火+回火→矯直→探傷→精整”工藝制成了幾何尺寸精度較高、力學性能優異的CS-80H～CS-110H經濟型稠油熱采專用套管。

5 試驗結果與分析

5.1 晶粒度和非金屬夾雜物

在管坯上取樣做高倍評級,其結果見表2所示,可見管坯非金屬夾雜物評級及晶粒度均滿足設計要求。

表2 晶粒度和非金屬夾雜物評級

從非金屬夾雜物評級情況看,采用潔凈鋼冶煉技術后鋼中非金屬夾雜物得到有效控制,其按GB/T 10561—2005標準評級結果遠低于設計要求,各類夾雜物總和≤4.0,鋼質純凈度高;另晶粒度達到9級,金相組織為均勻的回火索氏體,如圖1、圖2所示。

圖1 CS-110H管體晶粒度

圖2 CS-110H管體金相組織500×

5.2 鋼管幾何尺寸

以177.8mm×9.19mm規格為例,攀成鋼340MPM連軋管廠生產的CS-110H熱采井用套管管坯幾何尺寸精度較高,滿足技術要求。

表3 177.8×9.19 CS-110H光管外徑測量情況

表4 177.8×9.19 CS-110 H光管壁厚測量情況

5.3 常規力學性能

經濟型熱采井用套管的常溫力學性能、沖擊韌性均達到設計要求,且數據波動范圍窄,性能較均勻,見圖3～6所示。

圖3 屈服強度(MPa)

圖4 抗張強度(MPa)

圖5 延伸率(%)

圖6 沖擊功(J)

5.4 熱采井設計新方法套管性能評估

將研制開發的Cr-Mn鋼種與目前國內油田廣泛采用的Cr-Mo鋼種進行了高溫拉伸、熱循環試驗及熱膨脹系數測定等對比試驗。

5.4.1 高溫拉伸試驗

在350℃高溫下,110鋼級Cr-Mn、Cr-Mo鋼的屈服強度分別下降為室溫的84%、85%,抗拉強度下降為室溫的93%、92%,試驗結果見圖7～8。兩個鋼種的高溫拉伸性能基本一致,均滿足稠油熱采套管設計要求。

圖7 高溫下Cr-Mn、Cr-Mo鋼屈服強度對比

圖8 高溫下Cr-Mn、Cr-Mo鋼抗拉強度對比

5.4.2 屈強比、延伸率

在室溫、200℃、300℃、350℃及375℃高溫下,分別測定Cr-Mn及Cr-Mo鋼種的屈強比、延伸率,試驗結果見表5。由表5可以看出兩個鋼種屈強比十分接近,尤其是在高溫階段,但Cr-Mn系材料延伸率明顯好于Cr-Mo系。

表5 Cr-Mn及Cr-Mo鋼種的屈強比、延伸率對比

(1)熱膨脹系數

在室溫、200℃、300℃、350℃、375℃高溫下,Cr-Mn及Cr-Mo鋼種的熱膨脹系數見表6。熱膨脹系數越大,其熱穩定性能越差,分析可知,攀成鋼公司開發的Cr-Mn系材料熱穩定性優于Cr-Mo系。

表6 Cr-Mn及Cr-Mo鋼種的熱膨脹系數對比

(2)熱循環試驗

為評價熱采井套管材料熱循環下溫度—應力性能,采用GJB 6213—2008金屬材料熱機械疲勞試驗方法對Cr-Mn、Cr-Mo鋼種進行了熱循環試驗,循環溫度為350℃,循環次數為30次。同種狀態下的機械循環曲線,一個循環所包括的面積越大,其延展性越好,穩定性越佳。由圖9、圖10可見,Cr-Mn鋼種熱循環下溫度—應力性能與Cr-Mo相近。

圖9 Cr-Mn鋼種熱循環試驗

圖10 Cr-Mo鋼種熱循環試驗

6 結論

(1)攀成鋼公司自主研發的經濟型稠油熱采井用套管采用中碳Cr-Mn鋼,采用微合金化處理,成品管材組織晶粒細小,各項性能檢測指標良好,完全滿足有關技術協議要求。

(2)通過與目前國內油田廣泛采用的Cr-Mo鋼種進行了常規力學性能、高溫拉伸、熱循環試驗及熱膨脹系數測定等對比試驗以評估產品性能指標,結果顯示基于應變的熱采井設計新方法開發的經濟型稠油熱采井專用套管可滿足了油田開發使用需求且更為經濟。

(3)油田批量使用的結果表明:基于應變的熱采井設計新方法開發的經濟型稠油熱采井專用套管使用性能優良,滿足油田稠油熱采井特殊工況使用要求,具有極大的社會經濟效益和推廣應用價值。

[1] 于連冬.世界稠油資源的分布及其開采技術的現狀與展望[J].特種油氣藏,2001:25—30.

[2] 楊立強.TP100 H套管在超稠油熱采井中的應用[J].特種油氣藏,2002,9(6):48—50.

[3] 盧小慶,方華,等.高強度熱采井專用套管TP100H的開發[J].鋼鐵,2010,36(10):30—32.

R&D of an Economic Casing for Heavy Oil Thermal Recovery Well

ZHOU Dan1,HUANG Yun2,HUANG Ying2,LI Fang-ying2

(1.Pancheng Yihong Pipe Co.,Ltd;Chengdu 610300,Sichuan,China; 2.Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.,Chengdu 610300,Sichuan,China)

In this paper,an economic casing for heavy oil thermal recovery well is analyzed and studied.The string design using strain criterion,both stress design criterion,in ensuring the performance of the material under the condition of the lower cost of Cr-Mn steel.Through the current widely used in domestic oilfields with Cr-Mo steel grade for the conventional mechanical properties,high temperature tensile,thermal cycling test and determination of thermal expansion coefficient of contrast test in the evaluation of product performance index,the results show that thermal recovery wells design method based on strain development of economy of heavy oil thermal recovery wells special casing can meet the demand of the oilfield development use and more economic.

seamless steel pipe;the heavy oil thermal recovery;OCTG;economical;The high temperature performance

1001—5108(2016)03—0029—06

TG141

A

周丹,工程師,主要從事鋼管銷售及技術服務工作。